利用PLC对橡胶切割过程实现自动控制

　　引言
　　
　　橡胶是提取橡胶树、橡胶草等植物的胶乳，可制成有绝缘性、有弹性、不透水和不透气的材料。新鲜的天然胶乳含橡胶组分 27% ～41． 3% ( 质量) 、蛋白质0． 2% ～ 4． 5% 、糖类 0． 36% ～ 4． 2% 、水 44% ～ 70% 、天然树脂2% ～5% 、灰分0． 4% 。橡胶树割胶流出，呈乳白色，固含量为 30% ～ 40% ，橡胶粒径平均为1． 06μm，可直接作表面涂层、制造薄膜和胶粘剂等，经加工也可制成生橡胶、胶乳制品( 如手套、海绵、气球、医用胶管等) ，广泛应用于日常生活中。橡胶的广泛应用带动了当地经济的快速发展，但是胶液的收集确是一大难题。目前，海南大部分胶农还是采用人工割胶，劳动强度大、效率低、安全性差，从而导致了综合成本偏高，极大地制约了橡胶产业化、商品化的发展。

　　为此，设计了一种仿手工割胶的割胶机械，并以弧形挡板、刀片块与螺钉弹簧的配合定距来辅助割胶; 电机摆放角度、刀片形状与刃口呈 45°角，能防止胶液外流，大大提高割胶的质量。同时，通过 PLC 对橡胶切割过程实现自动控制，可提高劳动舒适性和割胶效率。

　　1 割胶方法及原理
　　
　　1． 1 割胶方法

　　乳是在韧皮部的筛管中进行，外树皮的细胞排列紧密，细胞间隙比较小，起到保护作用。割胶时只需要轻轻滑动刀盘将树皮割裂划破韧皮部分。这里仿照人工割胶的方法，采用倾斜 45°齿形刀片与弧形挡板的有效结合控制切割深度，可充电电池提供电量，电动机通过主轴带动齿形刀片快速旋转，胶农只需完成割胶动作，结构简单、操作方便。

　　1． 2 割胶原理

　　当割胶机开始工作时，由电动机提供动力源，通过主轴传递带动齿形刀片快速旋转。右手拿起割胶机，左手清除树干的一些干枯树皮，理出一条割胶通道，然后刀具向内倾斜插入树皮，沿着树文向下倾斜45°绕树大概 1 /2 之后收刀; 稳拿割胶机准确地一刀接一刀的在树上割出四方皮，完成对橡胶树韧皮部分的切割运动。刀片下面设计成略带弧形挡板，目的是为了更贴合树干，挡板后为两支柱外套弹簧，内为矩形螺纹，通过机座头部上方孔，从上方旋入矩形螺纹钉入下面挡板支柱内，固定挡板于支座头上; 通过用螺丝刀旋转上面螺钉可以起到定距作用，以此来控制刀片切入树体深度，减少割胶破坏率。电机摆放成 45°，即与挡板贴合的树干方向，同时刀片形状，刃口也为45°设置，目的是让切入树的位置为深度倾斜向里，防止胶液外流，胶液能顺利从树干倾斜口向下流到集胶碗里。

　　2 割胶机的机械结构与功能

　　2． 1 割胶机的机械结构
　　
　　割胶机的机械结构如图 1( a) 所示，三维装配图如图 1( b) 所示，三维爆炸图如图 1( c) 所示。该割胶机设计为手拿式切割机构，小型便捷，机械部分主要由机体、切割装置和挡板装置组成。机体主要由支座架和手柄构成; 切割装置主要由电动机、主轴、45°齿形刀具和刀罩等构成; 挡板装置主要由弧形挡板，刀片块和螺钉弹簧等构成。

    2． 2 割胶机结构的部分功能

    切削部分主要由电动机提供动力源，通过主轴转动带动刀具飞快旋转以达到预期目的，提供给刀盘一个旋转动力，从而带动刀盘在树干上的韧皮部分进行切割运动。刀具结合刀罩，既美观又提高安全系数;并采用刀锋倾斜 45°完全适应划刀沟槽，避免破坏树干机理，可快速完成割胶动作，直接提高劳动舒适性和工作效率; 将刀片直接安装在电动机主轴上，减少能量损失，配合垫圈和螺母以固定。垫圈是垫在螺母与刀片之间的零件，一般为扁平型的金属环，用来保护刀片不受螺母的擦伤，分散螺母对刀片的压力。挡板部分可适应刀具和树皮结构、手动调节深度，大大提高了精准性; 手柄部分适应人体工艺学满足了握柄的舒适度和便捷度。

　　3 控制系统的硬件结构

　　3． 1 PLC 控制系统

　　随着电子技术和信息技术的飞速发展，出现了多种实用的控制技术，如继电器控制技术、计算机控制技术、单片机控制技术及 PLC 控制技术等。可编程程序控制器( 简称 PLC) 是带有存储器和可以编制程序的控制器，是可以在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置。它能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械和生产过程。PLC 具有编程方便、功能完备、开发周期短、可靠性高等优点，广泛应用于自动控制的领域中。本割胶机采用 PLC 为核心控制器，实现运动的自动控制。

　　3． 2 PLC 硬件系统

　　硬件系统结构如图 2 所示。PLC 硬件系统一般由中央处理器( CPU) 、存储单元、输入输出接口、电源、I/O 接口、外部设备接口及编程设备等几个部分构成。外部设备所呈现的各种信号会作为变量通过接口输入到 PLC 系统程序中，经过数据处理和逻辑运算之后，再以变量的形式输入到相对应的输出接口，就可以使输出设备控制外部设备的一系列运动。

　　4 PLC 控制系线图统的 I / O 接及梯形图

　　为了实现整个割胶系统运动的自动控制，割胶机的控制将采用日本三菱公司生产的 FX2N 系列 PLC来完成，然后用步进梯形指令( STL) 来编写割胶机的控制程序。其 I/O 接线顺序功能图如图 3 所示，I/O点分配表如表 1 所示，其系统程序梯形图如图 4 所示，相对应的指令表如表2 所示。其输入和输出条件分别表示如下: X0 为行位开关，用来控制电动机的正转;X1 为行位开关，用来控制电动机的反转; X2 为行位开关，用来使工作停止; FＲ 为过载保护; Y1 为电动机正转; Y2 为电动机反转。【图2-4】【表1-2】

    5 结束语

　　随着经济发展，国内国外市场对橡胶以及其加工产品的需求量越来越大，橡胶作为我国主要的经济作物之一，其加工产业的发展可推动当地地区经济的发展。本文首先介绍了一种新型割胶的方法，着重介绍了割胶机的割胶原理、机械结构和主要功能，并设计了基于 PLC 控制的割胶运动系统。同时，主要从硬件设计了控制系统的结构及 I/O 接线图和相应的梯形图。该小型割胶机的实现具有很大的价值，可提高橡胶产业的经济效益、增加自动化程度、降低人工劳动强度、提高劳动舒适性，有利于橡胶加工产业的发展。

　　参考文献:

　　［1］ 杨芝清． 实用橡胶工艺学［M］． 北京: 化学工业出版社，2011．
　　［2］ 刘建． 基于 PLC 的磨线机和剥线机控制系统的设计与实现［D］． 柳州: 广西师范大学，2008．
　　［3］ 廖常初． 可编程序控制器应用技术( 5 版) ［M］． 重庆: 重庆大学出版社，2004．
　　［4］ 廖常初． 可变控制器的编程方法与工程应用［M］． 重庆:重庆大学出版社，2001．